Peneliti di Universitas Stuttgart telah menunjukkan bahwa prinsip Carnot, pilar utama termodinamika, tidak sepenuhnya berlaku untuk partikel yang berkorelasi pada tingkat atom. Penelitian mereka mengungkapkan bahwa mesin kuantum dapat melampaui batas efisiensi tradisional dengan memanfaatkan korelasi kuantum. Penemuan ini dapat membuka jalan bagi motor nanoskala yang sangat efisien.
Prinsip Carnot, yang dirumuskan hampir dua abad lalu oleh fisikawan Prancis Sadi Carnot, menetapkan efisiensi maksimum teoritis untuk mesin panas berdasarkan perbedaan suhu. Prinsip ini merupakan bagian dari hukum kedua termodinamika dan berlaku pada sistem berskala besar seperti turbin uap dan mesin pembakaran internal, yang mengubah energi termal menjadi gerakan mekanis. Kemajuan dalam mekanika kuantum telah memungkinkan pengembangan mesin panas mikroskopis, menyusutkannya hingga dimensi atom. Profesor Eric Lutz dan Dr. Milton Aguilar dari Institut Fisika Teoretis I di Universitas Stuttgart kini telah menunjukkan bahwa prinsip ini runtuh untuk sistem yang sangat berkorelasi pada skala atom. Dalam pengaturan seperti itu, partikel terhubung secara fisik, memperkenalkan efek kuantum yang tidak dipertimbangkan dalam termodinamika klasik. Para peneliti menyimpulkan hukum termodinamika yang digeneralisasi yang menggabungkan korelasi kuantum—hubungan halus antara partikel dalam sistem kecil. Korelasi ini memungkinkan mesin kuantum mengubah tidak hanya panas tetapi juga korelasi itu sendiri menjadi kerja, melampaui batas Carnot. «Motor kecil, tidak lebih besar dari satu atom, bisa menjadi kenyataan di masa depan», kata Profesor Lutz. Ia menambahkan, «Kini juga jelas bahwa mesin ini dapat mencapai efisiensi maksimum lebih tinggi daripada mesin panas yang lebih besar». Bukti matematis mereka diterbitkan di Science Advances dengan judul «Correlated quantum machines beyond the standard second law». Penelitian ini menyempurnakan fisika dasar dan menyarankan aplikasi dalam motor kuantum ultrakecil untuk tugas seperti memberi daya pada nanobot medis atau memanipulasi material atom demi atom. Dengan memperluas pemahaman tentang efisiensi pada skala nanos, temuan ini menyoroti bagaimana efek kuantum dapat meningkatkan konversi energi dalam teknologi masa depan.